Новое состояние воды обнаружено в минерале

160501 f01
Берилл из Гилгита, Пакистан

Проведенное сотрудниками американской Национальной лаборатории в Оук-Ридж (Oak Ridge National Laboratory) исследование показало, что молекулы воды могут принимать новое, четвертое состояние в наноразмерных каналах кристаллов берилла, подвидами которого являются, например, аквамарин и изумруд. С результатами работы ученых можно ознакомиться в Physical Review Letters.

Берилл образует очень тонкие и протяженные каналы, в которых существуют сужения, так называемые камеры, где поместиться может лишь одна молекула H2O. Ранее у ученых уже были предположения о том, что молекулы воды внутри берилловых нанокапилляров участвуют в туннелировании, то есть способны менять свое квантовое состояние, однако серьезных доказательств у исследователей не было.

В новой работе американских физиков был использован метод нейтронной спектроскопии, а также параллельное компьютерное моделирование поведения молекул в кристаллах берилла. Ученым удалось предсказать появление пиков, указывающих на момент перехода между разными состояниями одной молекулы воды, а затем доказать свою теорию экспериментально.

Поведение воды в берилле ученые описывают следующим образом. Канал, внутри которого находится молекула H2O, имеет шесть граней. Атом кислорода в молекуле воды располагается практически в центре канала, а пара водородов обращена к одной из его шести стенок. Чтобы молекула могла "повернуться", необходимо приложение значительного количества энергии и соответствующее для этого пространство, которым не располагают каналы берилла.

Как оказалось, все дело в том, что молекула воды может поменять ориентацию с одной стенки на другую, не побывав в среднем положении, другими словами, она "перепрыгивает" из начальной в конечную точку поворота. В этом и заключается эффект квантового туннелирования. Атомы молекулы воды "делокализуются" в пространстве внутри шестигранного канала, то есть у них нет какой-то одной ориентации, они находятся одновременно во всех шести возможных позициях. Все шесть положений оказываются, таким образом, эквивалентны, так что туннелирование происходит между всеми положениями одинаково. Пара атомов водорода оказывается "размазана" в пространстве, а вокруг атома кислорода возникает кольцеобразное уплотнение.

Однако, "загнать" молекулы воды в узкую полость оказывается недостаточно для их перехода в туннельное состояние. По результатам компьютерного моделирования ученые пришли к выводу, что катализатором для этого феномена служат колебания структуры кристалла берилла.

Такое поведение воды на микроуровне приводит и к макроскопическим результатам. Так, у воды в берилле пропадает дипольный момент, то есть в этом минерале молекула воды вообще не имеет положительно и отрицательно заряженных полюсов. Это достаточно необычное явление, поскольку многие свойства воды напрямую зависят от дипольного момента.

Настоящее исследование имеет большое значение для многих областей науки, так что ученые из Оук-Риджа уже ждут научных дискуссий в геологических, физико-математических, биологических кругах на тему своей работы.


А. Павленко (по материалам открытых источников)

Печать